设计作品企划书

設計作品企劃書泛用型馬達控制系統晶片之設計SoCSolutionsforUniversalMotorControl第一屆全國SoC系統晶片設計比賽參加組別：SoC晶片組團隊名稱：UniServo團隊編號：A07製作日期：92年6月30日SoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.i目錄一、前言.......................................................................................................11.1研發背景..........................................................................................................11.2研究動機與問題描述......................................................................................2二、功能與設計規格...................................................................................32.1泛用型馬達控制系統架構..............................................................................32.2功能說明..........................................................................................................32.3主要特性與規格..............................................................................................62.4設計參數..........................................................................................................62.5設計考量..........................................................................................................7三、設計環境與驗證.................................................................................16四、應用說明與實例.................................................................................18五、市場分析.............................................................................................205.1商用型IC比較分析......................................................................................205.2專利調查與分析............................................................................................23六、結論.....................................................................................................24附錄A、馬達系統晶片虛擬產品表.........................................................25SoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.1一、前言1.1研發背景在消費性電子產業中，馬達的應用繁多，包括了電動車輛、硬碟機、光碟機、電子寵物、空調機、與洗衣機等，如圖1所示。在這些產業當中又以微小型馬達的應用更為廣泛，像是硬碟機與光碟機的主軸馬達便是最好的例子，根據1999年日本在微小馬達領域的產業調查，全世界總共銷售了約40億顆的微小馬達而隨著未來資訊家電的發展，微小馬達將具有龐大的市場發展潛力，而結合控制電路的積體化微小馬達，將成為市場主流，在這些微小馬達應用中，對於控制精度的要求亦大幅提升，以高倍速DVD光碟機為例，隨著資料讀取速率的提高，控制碟片旋轉的主軸馬達以及控制讀取頭的聚焦循軌馬達都必須更精確的達到有效的控制；除此之外，由於消費性電子產品的多樣化促使控制晶片time-to-market的時間必須壓縮，因此，利用系統晶片設計(System-on-a-Chip,SoC)的概念，整合微小馬達、積體電路、與控制等設計與製造技術，就成為微小馬達產業發展的重要關鍵。圖1馬達在消費性電子產業上的相關應用SoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.21.2研究動機與問題描述儘管消費型電子產品的種類眾多，但其採用的微小馬達則可歸納成為三類：有刷馬達(brushmotor)、無刷馬達(brushlessmotor)與步進馬達(steppingmotor)，圖2為在不同消費性產品中所採用之微小馬達類型示意圖，由圖可知，在任何產品中，都有可能使用不只一種類型的微小馬達；而在傳統的消費性產品中，這些不同類型的微小馬達都必須利用不同的晶片進行控制，這樣一來，對整體產品設計的複雜度及可靠度都隨之降低。圖2消費性電子產品之微小馬達種類因此，在本計畫中將針對這些消費性電子產品所使用之微小馬達，設計多樣化可重複使用(reusable)的矽智財(SiliconIntellectualProperty,SIP)，並且藉由整合所設計的SIP，完成泛用型馬達的系統晶片設計(SoC)，最後並以DVD光牒機系統為例，完成一顆整合型伺服控制系統晶片。SoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.3二、功能與設計規格2.1泛用型馬達控制系統架構針對有刷與無刷馬達控制，訂定一個泛用型的控制架構如下圖3所示，若以其功能性來區分，可分為馬達介面模組(motorinterfacemodule)、控制模組(controlmodule)與通訊介面模組(communicationinterfacemodule)；而這些模組將根據不同應用而有不同的組合，因此，若是能夠將這些模組設計成為獨立的SIP，便可根據應用需求將其整合成不同的系統晶片，可大幅縮短time-to-market的時間。接著將針對這些模組功能進行SIP的設計，而所有程式皆符合RMMcodingguideline。BrushMotorBrushlessMotorNSSNSNS1S2S3S4S5S63-PhasePowerSupplyoVdcInterfaceHall-SensorsReadoutSensorlessEstimationCurrentFeedbackOpticalEncoderReadoutPWMGeneratorCommutationLogicCurrentControllerMultiplexerandPhaseCompensationCircuitCoordinationTransformationCircuitSensorlessSpeedEstimatorMultiplexerandFrequencyGeneratorServoControllerPhaseandFrequencyDetectorClockDistributionCommunicationInterfaceDPLL圖3泛用型馬達控制架構圖2.2功能說明圖4為DVD光碟機的系統示意圖，本計畫將利用自行設計的SIP，設計一顆系統晶片(SoC)，滿足所有在DVD光碟機內的伺服控制，包括了三相主軸馬達無感測旋轉伺服，循軌、聚焦以及托盤伺服控制。SoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.4夾片機構主軸馬達光碟片光學讀取頭長程尋軌馬達數位信號處理器DMA記憶體微控制器IDE介面碟片傳送馬達控制電路主軸伺服聚焦伺服聚焦伺服循軌伺服循軌伺服尋軌伺服尋軌伺服滑動機構DSP-EmbeddedControllerDriverCircuit伺服控制晶片影音處理晶片驅動電路主軸馬達驅動模組圖4DVD光碟機系統示意圖圖5為本計畫所製作的系統晶片「可程式化DVD光碟機伺服控制系統晶片」功能方塊圖，此晶片包含了類比與數位電路，為一顆混模式(mixed-mode)的控制IC，其中類比電路部份包含了無感測控制電路與一顆單頻道10bit的類比數位轉換器；而數位電路部份則是包含了以PLL為基礎的速度控制迴路、換相與電流控制迴路，與可程式化通訊介面，表1為其腳位定義說明。總結來說，本顆晶片的特色包括了：•5ChannelServoControlforBrushMotors•1ChannelServoControlforThree-PhaseBrushlessMotors)•StartupCommutationStrategy•Back-EMFSensorlessCommutationStrategy•1-channel10-bitAnalog-to-DigitalConverter(ADC)•LinearCurrentControl•ReverseTorqueMode(ShortBrake)•High-PrecisionPhase-LockedLoopSpeedControl•SerialPortInterfaceforProgrammingControlRegisters•High-EfficiencyPhaseCompensation•ProgrammablePWMSwitchingFrequency(1kHz~40kHz)•AdjustableSpeedSlewRateControlSoC晶片組團隊:A07【UniServo】Copyrightreserved.5PLLSpeedControlIIRPWMGeneratorCW/CCWCommutationUPUNVPVNWPWNFGA/DConverterCurrentPowerSupply+-IIRSerialInterface&RegistersSCLKSDATAENWR/PWMGeneratorPWMGeneratorPWMGeneratorPWMGeneratorVCCGNDSpindlemotorcontrolblockFRSLEDMOTORCONTROLSIGNAL1,2TRACKINGMOTORCONTROLSIGNALFOCUSMOTORCONTROLSIGNALLOADMOTORCONTROLSIGNALMUXVAVBVCNeutralVoltageSimulatorZero-CrossingDetectionDigitalPhaseShifterCLKIIRIIRIIRIIRDIRCTL1CTL22ControlLogic123456798101112131415161718192021,222324252627圖5可程式化DVD光碟機伺服控制系統晶片功能方塊圖表1系統晶片腳位定義表PinTypes:D=Digital.P=Power,A=AnalogNumberPinNameDescriptionType1UPGatingsi